uranium (suite)

La France prospecte et recherche surtout la pechblende et l’autunite. Les gisements mis en exploitation sont répartis en trois divisions uranifères : Vendée, Limousin et Forez ; des gisements importants ont été découverts également dans l’Hérault. Les minerais sont envoyés à Malvési (Aude), où l’on fabrique l’uranium métal. La production française s’élève à environ 1 500 t par an d’uranium métal nucléairement pur. Les réserves françaises uranifères seraient de l’ordre de 60 000 t.

Fabrication de l’uranium métal

• Extraction et enrichissement des minerais. Les minerais d’uranium peuvent présenter de grandes variations dans leur composition ; c’est pourquoi on a pris l’habitude de les enrichir sur place et de les transformer en concentrés par divers procédés, comportant généralement l’emploi de réactifs peu coûteux. Les conditions économiques de concentration ont été améliorées au cours de ces dernières années grâce à la mécanisation des opérations et à l’emploi de techniques modernes (échangeurs d’ions et extraction par solvants).

• Traitements chimiques. Les traitements chimiques du minerai comportent plusieurs opérations pour la préparation, aboutissant finalement à la fabrication de lingots pesant 90 kg environ et dont la richesse en uranium est de 98 p. 100.

L’uranium métal, utilisé comme combustible nucléaire, est employé sous forme de barres ou de billettes de quelques centimètres de diamètre avec des longueurs variables. Mais, avant de les introduire dans le réacteur, on les gaine. Ce gainage présente le double avantage d’éviter la corrosion du combustible et la dispersion des produits de fission. Pour les petits réacteurs fonctionnant à basse température, on utilise comme gaine de l’aluminium ; pour les réacteurs fonctionnant à température plus élevée, on prend de l’acier inoxydable, du magnésium, du béryllium ou du zirconium.

On utilise également comme combustible l’oxyde uraneux, UO₂, plus résistant à la corrosion que l’uranium.

Uranium 235

L’uranium 235 existe dans la proportion moyenne de 0,7 p. 100 dans l’uranium naturel, c’est-à-dire qu’il n’en représente que la fraction 1/140. 0,7 p. 100 pour l’uranium 235 est l’enrichissement dit naturel ; quand, dans un échantillon d’uranium, on a une proportion en uranium 235 supérieure à 0,7 p. 100, on dit qu’on a de l’uranium enrichi ; quand cette proportion est inférieure à 0,7 p. 100, on a de l’uranium appauvri.

L’enrichissement de l’uranium consiste à séparer les deux isotopes de façon à augmenter la proportion d’uranium 235.

On appelle d’une façon générale :
— α, facteur d’enrichissement, le rapport de la fraction des atomes appartenant à un isotope déterminé dans un mélange enrichi en cet isotope à la fraction des atomes appartenant à cet isotope dans un mélange de composition naturelle ;
— є, degré d’enrichissement, le facteur d’enrichissement diminué de 1 : є = α – 1.

Pour faire cette séparation, on joue non pas sur des propriétés chimiques (car tous les isotopes d’un même élément ont les mêmes propriétés chimiques), mais sur des différences de propriétés physiques.

Pour les centrales nucléaires fonctionnant avec de l’uranium enrichi (centrales appartenant aux filières PWR, BWR) l’enrichissement est de l’ordre de 3 à 4 p. 100 pour compenser les absorptions parasites de neutrons dans l’hydrogène de l’eau ordinaire et dans les matériaux de structure constitutifs du cœur du réacteur ; pour les armes nucléaires, l’enrichissement recherché est supérieur à 90 p. 100. Les deux procédés les plus importants pour enrichir l’uranium sont la diffusion gazeuse et l’ultracentrifugation.

Diffusion gazeuse

Le procédé est simple : on applique (loi de Graham) le fait que la vitesse de diffusion d’un gaz à travers une paroi poreuse est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse moléculaire. Il est donc nécessaire de passer par un intermédiaire gazeux, l’hexafluorure d’uranium UF₆. En réalité, il existe deux intermédiaires : ₂₃₅UF₆ (masse moléculaire M₁ = 235 + 6.19 = 349) et ₂₃₈UF₆ (M₂ = 238 + 6.19 = 352) ; le ₂₃₅UF₆ diffuse plus rapidement que le ₂₃₈UF₆, si bien que, dans ce processus, les produits de tête s’enrichissent peu à peu en ₂₃₅U.

On a, par application de la loi précédente,

K étant une constante et T la température de l’expérience.
On en déduit la valeur du facteur d’enrichissement :

Pour un seul passage, le degré d’enrichissement є est théoriquement de l’ordre de 4/1 000 ; pratiquement, pour tenir compte de certaines contingences technologiques, il ne dépasse guère 2/1 000.

Le procédé de diffusion gazeuse a été employé sur le plan national pour obtenir de l’uranium 235, utilisé dans les engins nucléaires ; pour obtenir l’enrichissement, il faut donc avoir une installation disposant de plusieurs milliers de parois poreuses, ou barrières.

Chaque étage se compose d’un diffuseur, qui contient des barrières poreuses de séparation, d’un compresseur, qui amène le gaz au diffuseur, et d’un échangeur de température, qui refroidit le gaz avant son entrée dans le diffuseur. Le flux gazeux passant dans le diffuseur se partage donc en deux parties : la première, diffusée à travers la barrière, se trouve donc enrichie en uranium 235, et elle est reprise par le compresseur de l’étage suivant ; la seconde, qui est appauvrie en uranium 235, est renvoyée au compresseur d’alimentation de l’étage précédent.

Le Centre de Pierrelatte, en France, est une usine de séparation des isotopes de l’uranium établie sur ce principe. Ce complexe industriel comprend quatre usines :
— l’usine basse produit depuis la fin de 1964 de l’uranium enrichi à 2 p. 100 en uranium 235 ;
— l’usine moyenne, en service depuis l’été de 1965, sort de l’uranium enrichi à 7 p. 100 ;
— l’usine haute donne de l’uranium enrichi à 25 p. 100 ;
— l’usine très haute, qui est en fonctionnement depuis avril 1967, produit de l’uranium enrichi en uranium 235 à plus de 90 p. 100.

L’uranium enrichi produit par cette usine, dont la capacité reste secrète, était destiné à l’origine aux besoins militaires.

Ce procédé de la diffusion gazeuse est également utilisé aux États-Unis (trois usines civiles à Oak Ridge, à Paducah et à Portsmouth), en Grande-Bretagne (Capenhurst) et en Chine (Lanzhou [Lan-tcheou]).